CMS nie znalazł mikroskopijnych czarnych dziur. Nowa metoda ML zaostrza ograniczenia

Brak odkrycia też może być ważnym wynikiem. Współpraca CMS przeanalizowała pełny zbiór danych z drugiego okresu pracy LHC z lat 2016–2018: 138 fb⁻¹ zderzeń proton–proton przy energii 13 TeV. Nie znaleziono statystycznie istotnego sygnału mikroskopijnych czarnych dziur, kul strunowych ani elektrosłabych sferalonów. Wynik zawęża przestrzeń parametrów konkretnych modeli grawitacji w skali TeV i dużych dodatkowych wymiarów, lecz nie obala samej idei dodatkowych wymiarów ani nie rozwiązuje problemu hierarchii. 34

Na czym polegała metoda uczenia maszynowego

Badacze szukali zdarzeń o nietypowej kinematyce: z dużą liczbą energetycznych cząstek rozłożonych względnie izotropowo. Taki „wybuch” cząstek mógłby powstać, gdyby w zderzeniu utworzyła się mikroskopijna czarna dziura, która niemal natychmiast rozpadłaby się na cząstki Modelu Standardowego. Podobne sygnatury przewidują też rozpatrywane modele sygnału elektrosłabych sferalonów.

CMS zastosował narzędzie oparte na odległości w przestrzeni fazowej. W praktyce opisuje ona, jak podobne są dwa zderzenia, gdy ich odtworzone własności kinematyczne zapisze się jako punkty w wielowymiarowej przestrzeni. Dzięki temu zdarzenia można grupować według całego ich układu kinematycznego, a nie tylko jednej obserwowalnej wielkości.

Następnie klasyfikator typu support vector machine (SVM) uczył się granicy między symulowanymi zdarzeniami przypominającymi sygnał a zwykłym tłem wielodżetowym. 14

Analiza oparta na uczeniu maszynowym uzupełniała bardziej ogólne, niezależne od konkretnego modelu poszukiwanie. W nim CMS badał skalarną sumę pędów poprzecznych, (S_\mathrm{T}), w zdarzeniach zawierających dżety, leptony lub fotony. Obie metody były nastawione na wyjątkowo rzadkie zderzenia z najwyższymi energiami i dużą liczbą produktów rozpadu. 4

Co wykluczono przy 95% poziomie ufności

Ani w inkluzywnym przeszukiwaniu wysokich wartości (S_\mathrm{T}), ani w wyspecjalizowanych obszarach przestrzeni fazowej nie pojawiła się nadwyżka niezgodna z przewidywaniami Modelu Standardowego. 34

Dla badanych scenariuszy przekłada się to na następujące ograniczenia przy 95% poziomie ufności:

• Półklasyczne czarne dziury: wykluczono masy poniżej 8,4–11,4 TeV — zależnie od skali grawitacji, modelu czarnej dziury i przyjętej liczby dodatkowych wymiarów. Często podaje się skrótowo zakres około 9–11,4 TeV. 3
• Kule strunowe: wykluczono masy poniżej 9,0–10,7 TeV w odpowiednich scenariuszach wzorcowych. 3
• Elektrosłabe sferalony: CMS ograniczył do 0,0034 udział oddziaływań kwark–kwark powyżej nominalnego progu przejścia sferalonowego 9 TeV, które mogłyby prowadzić do modelowanego przejścia. 3

W najkorzystniejszych scenariuszach zasięg wykluczeń dla czarnych dziur przesunął się o około 1–1,6 TeV względem wcześniejszych poszukiwań. Dokładna poprawa zależy jednak od konkretnego modelu.

Czego wynik nie mówi o dodatkowych wymiarach

Modele z dużymi dodatkowymi wymiarami są częściowo motywowane problemem hierarchii — ogromną różnicą między obserwowaną czterowymiarową skalą Plancka a skalą elektrosłabą. W niektórych ich wersjach grawitacja staje się silna już w pobliżu skali TeV, co teoretycznie mogłoby umożliwić powstawanie mikroskopijnych czarnych dziur w zderzeniach wysokoenergetycznych.

Wynik CMS nie wyklucza szeroko rozumianej koncepcji dodatkowych wymiarów. Wyklucza te fragmenty konkretnych modeli, które przewidują wystarczająco częste tworzenie czarnych dziur lub kul strunowych przy masach dostępnych dla analizowanego zbioru danych. Granice zależą m.in. od założeń dotyczących geometrii i rozmiaru dodatkowych wymiarów, fundamentalnej skali grawitacji, progu powstawania czarnej dziury oraz jej rozpadu. 3

Także ograniczeń uzyskanych dla określonej liczby dodatkowych wymiarów nie należy traktować jako bezpośredniego pomiaru liczby wymiarów przestrzennych w przyrodzie. Dotyczą one wyłącznie wskazanego zestawu założeń modelowych. W różnych konstrukcjach teoretycznych charakterystyczny rozmiar dodatkowych wymiarów może obejmować skalę od około odwrotności TeV aż po milimetry. 1

Co może zmienić High-Luminosity LHC

Modernizacja akceleratora do programu High-Luminosity LHC ma przede wszystkim dostarczyć znacznie większą próbę zderzeń. Większa liczba danych zwiększy czułość na rzadkie zdarzenia o dużych (S_\mathrm{T}) i wysokiej krotności, a więc także na procesy o mniejszych częstościach produkcji.

Może to przesunąć testy ku większym progom mas dla czarnych dziur i kul strunowych albo ku niższym prawdopodobieństwom przejść sferalonowych. Pomogą w tym również zmodernizowane detektory, systemy wyzwalania oraz metody analizy przygotowane do pracy przy dużym nakładaniu się zderzeń.

Większa świetlność nie zastępuje jednak większej energii. Jeśli próg produkcji danego zjawiska leży poza energiami dostępnych zderzeń partonów w LHC, ostatecznie potrzebny będzie akcelerator o wyższej energii, a nie tylko większy zbiór danych.

Najważniejszy wniosek

Metoda odległości w przestrzeni fazowej dała CMS dodatkowy sposób wyszukiwania niezwykłych struktur w ogromnym zbiorze zderzeń. Nie przyniosła odkrycia nowego zjawiska, ale wzmocniła ograniczenia dla testowanych modeli: czarne dziury do 11,4 TeV, kule strunowe do 10,7 TeV oraz bardzo restrykcyjny limit dla wzorcowej częstości przejść sferalonowych. Są to istotne ograniczenia dla konkretnych dróg do grawitacji w skali TeV — nie zaś ostateczny werdykt w sprawie dodatkowych wymiarów, grawitacji kwantowej czy problemu hierarchii. 34